由： 威廉·哈里斯

　　三星Anycall觸覺。查看更多 手機圖片.

　　禮貌 三星如果你認為 蘋果蘋果手機 太棒了，然后在三星的這款手機上大飽眼福 - 和手指。這款手機被稱為Anycall Haptic，具有大型 觸摸屏 就像iPhone一樣顯示。但它至少在目前對蘋果的革命性小工具做得更好：它使用戶能夠感受到點擊、振動和其他觸覺輸入。總之，它為用戶提供了22種觸摸感覺。

　　這些感覺解釋了名稱中使用觸覺一詞的原因。觸覺來自希臘語“haptesthai”，意思是觸摸。作為形容詞，它的意思是與觸覺有關或基于觸覺。作為一個名詞，通常以復數(shù)形式(觸覺)使用，它的意思是觸覺的科學和生理學?？茖W家們已經(jīng)研究了幾十年的觸覺，他們對觸覺的生物學了解很多。例如，他們知道皮膚中有哪些受體，以及神經(jīng)如何在中樞神經(jīng)系統(tǒng)和接觸點之間來回傳遞信息。

　　不幸的是，計算機科學家很難將這種對觸摸的基本理解轉移到他們的 虛擬現(xiàn)實 系統(tǒng)。視覺和聽覺線索很容易在計算機生成的模型中復制，但觸覺線索的問題更大。幾乎不可能讓用戶通過典型的界面感受到計算機頭腦中發(fā)生的事情。確定 鍵盤 允許用戶輸入單詞，以及 操縱 桿 方向盤可以振動。但是，用戶如何觸摸虛擬世界中的內容呢?例如，視頻游戲玩家如何感受到他或她的角色武器的堅硬冰冷的鋼鐵?在計算機模擬器中訓練的宇航員如何感受到虛擬月球巖石的重量和粗糙質地?

　　自 1980 年代以來，計算機科學家一直在試圖回答這些問題。他們的領域是觸覺學的一個專門子集，稱為 計算機觸覺.在接下來的幾頁中，我們將通過以下方式介紹觸覺技術的工作原理：

　　將計算機觸覺與觸覺研究的相關領域聯(lián)系起來

　　表征逼真的虛擬觸摸所需的觸覺反饋類型

　　檢查正在開發(fā)中或目前在市場上可用的觸覺系統(tǒng)

　　探索當前和潛在的應用

　　當然，觸覺學的美好未來在很大程度上歸功于它的歷史。在下一節(jié)中，我們將研究這段歷史，以了解計算機觸覺屬于觸覺研究的連續(xù)統(tǒng)一體。

　　觸覺連續(xù)體

　　HIRO是一種觸覺界面機器人，在2005年日本世界博覽會的原型機器人展覽會上幫助用戶感受恐龍。

　　木村順子/蓋蒂圖片社作為一個研究領域，觸覺與自動化的興起和發(fā)展密切相關。在工業(yè)革命之前，科學家們專注于生物如何體驗觸摸。生物學家了解到，即使是簡單的生物，如 水母 和蠕蟲，擁有復雜的觸摸反應。在20世紀初，心理學家和醫(yī)學研究人員積極研究人類如何體驗觸摸。恰如其分地，這個科學分支被稱為 人類觸覺，它揭示了人類的手，與觸覺相關的主要結構，非常復雜。

　　這只手有 27 塊骨頭和 40 塊肌肉，包括位于前臂的肌肉，可提供極大的靈活性?？茖W家使用一種稱為 自由度.自由度是由單個關節(jié)提供的運動。因為人的手包含 22 個關節(jié)，所以它允許以 22 個自由度運動。覆蓋手部的皮膚也富含受體和神經(jīng)，這些是神經(jīng)系統(tǒng)的組成部分，可將觸摸感覺傳達給 腦 和脊髓。

　　然后是機器和機器人的發(fā)展。這些機械設備還必須觸摸和感受它們的環(huán)境，因此研究人員開始研究如何將這種感覺轉移到機器上。時代 機器觸覺 已經(jīng)開始了。最早允許與遠程物體進行觸覺交互的機器是放置在桿子末端的簡單杠桿和電纜驅動的鉗子。通過移動、定向和擠壓手槍握把，工人可以遠程控制鉗子，鉗子可用于抓取、移動和操縱物體。

　　在1940年代，這些相對粗糙的遠程操縱系統(tǒng)得到了改進，以服務于核材料和危險材料工業(yè)。通過機器接口，工人可以操縱有毒和危險物質，而不會有暴露的風險。最終，科學家們開發(fā)出了取代機械連接的設計 電機 和電子信號。這使得將微妙的手部動作傳達給遠程操縱器比以往任何時候都更有效。

　　下一個重大進步以電子計算機的形式出現(xiàn)。起初，計算機用于在真實環(huán)境中控制機器(想想在汽車裝配廠控制工廠機器人的計算機)。但到了1980年代，計算機可以生成虛擬環(huán)境——用戶可以進入的3D世界。在這些早期的虛擬環(huán)境中，用戶只能通過視覺和聲音接收刺激。與模擬對象的觸覺交互多年來仍然受到限制。

　　然后，在1993年，麻省理工學院(MIT)的人工智能實驗室構建了一種提供觸覺刺激的設備，最終使觸摸和感受計算機生成的物體成為可能。參與該項目的科學家開始將他們的研究領域描述為計算機觸覺，以將其與機器和人類觸覺區(qū)分開來。今天，計算機觸覺被定義為渲染虛擬對象的觸感和感覺所需的系統(tǒng)——包括硬件和軟件。這是一個快速發(fā)展的領域，正在產(chǎn)生許多有前途的觸覺技術。

　　在我們更詳細地研究其中一些技術之前，讓我們看看觸覺系統(tǒng)必須提供哪些類型的觸摸感覺才能成功。

　　觸覺反饋的類型

　　雖然許多視頻游戲玩家可能不知道觸覺技術的名字，但他們可能知道什么是力反饋 - 它已經(jīng)在游戲控制器上按名稱銷售多年。

　　?2008 HOWSTUFFWORKS當我們用雙手探索周圍的世界時，我們會收到兩種類型的反饋—— 動覺 和 觸覺的.要理解兩者之間的區(qū)別，請考慮伸手，撿起并探索棒球的手。當手伸向球并調整其形狀以抓握時，會生成一組描述關節(jié)角度、肌肉長度和張力的獨特數(shù)據(jù)點。這些信息由嵌入肌肉、肌腱和關節(jié)的一組專門的受體收集。

　　被稱為 本體感受器，這些受體將信號傳遞到大腦，在那里它們被大腦皮層的軀體感覺區(qū)域處理。這 肌肉紡錘體 是一種類型的本體感受器，提供有關肌肉長度變化的信息。這 高爾基體肌腱器官 是另一種類型的本體感受器，提供有關肌肉張力變化的信息。大腦處理這些動覺信息，以提供棒球的總大小和形狀，以及它相對于手、手臂和身體的位置。

　　當手指接觸球時，指墊和球表面之間發(fā)生接觸。每個指墊都是一個復雜的感覺結構，在皮膚和底層組織中都包含受體。這些受體有許多類型，每種類型的刺激都有一個：輕觸，重觸，壓力，振動和疼痛。來自這些受體的集體數(shù)據(jù)有助于大腦理解球的微妙觸覺細節(jié)。當手指探索時，他們會感覺到皮革的光滑質地，鞋帶的凸起粗糙度以及球的硬度。甚至球的熱特性也是通過觸覺感受器感知的。

　　力反饋 是一個通常用于描述觸覺和/或動覺反饋的術語。正如我們的棒球示例所示，力反饋非常復雜。然而，如果一個人要以任何保真度感受虛擬物體，力反饋正是這個人必須接收的信息。計算機科學家開始研究觸覺界面設備，這些設備允許用戶通過力反饋來感受虛擬物體。早期的嘗試沒有成功。但正如我們將在下一節(jié)中看到的那樣，新一代觸覺接口設備正在提供無與倫比的性能、保真度和易用性。

　　觸覺系統(tǒng)

　　Omni，Sensable? Technologies的PHANTOM系列中的入門級設備

　　禮貌 明智的技術有幾種方法可以創(chuàng)建觸覺系統(tǒng)。盡管它們看起來可能大不相同，但它們都有兩個重要的共同點 - 用于確定用戶虛擬身份與對象交互時產(chǎn)生的力的軟件，以及可以通過這些力應用于用戶的設備。軟件用于執(zhí)行其計算的實際過程稱為 觸覺渲染.一種常見的渲染方法使用多面體模型來表示虛擬世界中的對象。這些 3D 模型可以準確地描繪各種形狀，并可以通過評估力線如何與物體的各個面相互作用來計算觸摸數(shù)據(jù)。這種3D物體可以感覺堅固，并且可以具有表面紋理。

　　向用戶傳達觸覺圖像的工作落在接口設備上。在許多方面，接口設備類似于鼠標，不同之處在于鼠標是無法向用戶傳達任何合成觸覺數(shù)據(jù)的被動設備。讓我們看一些特定的觸覺系統(tǒng)，以了解這些設備的工作原理。

　　Sensable Technologies的PHANTOM?接口是首批商業(yè)化銷售的觸覺系統(tǒng)之一。它的成功在于它的簡單性。這種觸覺設備不是試圖顯示來自許多不同點的信息，而是模擬單個接觸點的觸摸。它通過連接到燈狀臂的手寫筆來實現(xiàn)這一點。三個小型電機通過對測針施加壓力向用戶提供力反饋。因此，用戶可以感受到虛擬氣球的彈性或磚墻的堅固性。他或她還可以感覺到質地、溫度和重量。 手寫筆可以定制，使其幾乎與任何對象非常相似。例如，它可以安裝注射器附件，以模擬注射時刺穿皮膚和肌肉的感覺。

　　CyberGrasp系統(tǒng)是Immersion Corporation的另一個商用觸覺界面，采用了不同的方法。該設備像 外骨骼 并為每個手指添加電阻力反饋。五個致動器產(chǎn)生力，這些力沿著連接指尖和外骨骼的肌腱傳遞。使用CyberGrasp系統(tǒng)，用戶能夠感受到僅存在于計算機生成的世界中的虛擬對象的大小和形狀。為了確保用戶的手指不會穿透或壓碎虛擬的固體物體，可以單獨編程執(zhí)行器以匹配物體的物理特性。

　　卡內基梅隆大學的研究人員正在試驗一種不依賴于致動連桿或電纜設備的觸覺界面。相反，他們的界面使用強大的電磁鐵來懸浮一個看起來有點像操縱桿的手柄。用戶操作懸浮工具手柄以與計算環(huán)境進行交互。當她移動和旋轉手柄時，她可以感受到模擬物體的運動、形狀、阻力和表面紋理。這是基于懸浮的技術的一大優(yōu)勢：它減少了摩擦和其他干擾，因此用戶可以減少分心并保持沉浸在虛擬環(huán)境中。它還允許在六個自由度下進行受限運動(與入門級Phantom接口相比，它只允許三個活動自由度)。 磁懸浮觸覺接口的一個缺點是它的占地面積。需要整個機柜來容納磁懸浮裝置， 電源、放大器和控制處理器。用戶手柄從嵌入機柜頂部的碗中伸出。

　　可以想象，像我們在這里描述的系統(tǒng)可能非常昂貴。這意味著該技術的應用仍然局限于某些行業(yè)和專業(yè)類型的培訓。在下一頁，我們將探討觸覺技術的一些應用。

　　觸覺技術的應用

　　想出應用觸覺的方法并不難。視頻游戲制造商一直是被動觸覺的早期采用者，它利用振動操縱桿、控制器和方向盤來加強屏幕上的活動。但未來的視頻游戲將使玩家能夠感受和操縱虛擬固體、液體、工具和化身。Novint Falcon觸覺控制器已經(jīng)將這一承諾變?yōu)楝F(xiàn)實。3-D 力反饋控制器可讓您分辨手槍報告和霰彈槍爆炸之間的區(qū)別，或者在拉回箭頭時感受長弓弦的阻力。

　　圖形用戶界面，如定義Windows和Mac操作環(huán)境的用戶界面，也將從觸覺交互中受益匪淺。想象一下，當您按下按鈕時，能夠感覺到圖形按鈕并接收力反饋。一些觸摸屏制造商已經(jīng)在嘗試這項技術。諾基亞手機設計師已經(jīng)完善了觸覺觸摸屏，使屏幕上的按鈕表現(xiàn)得好像它們是真正的按鈕一樣。當用戶按下按鈕時，他或她會感覺到移入和移出。他還聽到了咔噠聲。諾基亞工程師通過在屏幕下方放置兩個小型壓電傳感器墊并設計屏幕來實現(xiàn)這一點，使其在按下時可以稍微移動。所有內容 - 運動和聲音 - 都完美同步，以模擬真實的按鈕操作。

　　盡管有幾家公司正在加入Novint和諾基亞的行列，推動將觸覺界面納入主流產(chǎn)品，但成本仍然是一個障礙。最先進的觸摸技術存在于工業(yè)、軍事和醫(yī)療應用中。觸覺訓練正變得越來越普遍。例如，醫(yī)學生現(xiàn)在可以在計算機上完善精細的手術技術，感受在吻合中縫合血管或將肉毒桿菌毒素注射到虛擬面部的肌肉組織中的感覺。飛機機械師可以使用復雜的零件和服務程序，觸摸他們在 電腦屏幕.士兵可以通過多種方式為戰(zhàn)斗做準備，從學習如何拆除炸彈到在虛擬戰(zhàn)斗場景中操作直升機、坦克或戰(zhàn)斗機。

　　觸覺技術也廣泛用于遠程操作或遠程機器人。在遠程機器人系統(tǒng)中，人類操作員控制距離一定距離的機器人的運動。一些遙控機器人僅限于非常簡單的任務，例如瞄準 照相機 并發(fā)回視覺圖像。在一種稱為遠程呈現(xiàn)的更復雜的遠程操作形式中，人類操作員有一種位于機器人環(huán)境中的感覺。觸覺現(xiàn)在可以在網(wǎng)真模型中除了音頻和視覺提示之外，還包括觸摸提示。不久之后，天文學家和行星科學家就會通過先進的觸覺遙控機器人(一種火星探測漫游車的高觸覺版本)真正握住和操縱火星巖石。

　　在下一頁中，我們將看看觸覺技術的重要性如何增加，并在某些應用中變得必不可少。

　　幫助盲人感受城市

　　希臘的計算機科學家正在將觸覺技術整合到盲人的可觸摸地圖中。為了創(chuàng)建地圖，研究人員拍攝真實世界位置的視頻，可以是建筑物的建筑模型，也可以是城市街區(qū)。軟件逐幀評估視頻，以確定每個物體的形狀和位置。數(shù)據(jù)生成每個結構的力場三維網(wǎng)格。使用觸覺界面設備，盲人可以感受到這些力量，并結合音頻提示，更好地感受城市或建筑物的布局。

　　觸覺技術的重要性

　　在 電子游戲，添加觸覺功能很好。它增加了游戲的真實性，從而提高了用戶的滿意度。但在訓練和其他應用中，觸覺界面至關重要。這是因為觸覺傳達了有關物體的豐富而詳細的信息。當它與其他感官，尤其是視覺相結合時，觸覺會大大增加發(fā)送到大腦進行處理的信息量。信息的增加減少了用戶錯誤以及完成任務所需的時間。它還降低了遠程操作情況下使用的能耗和接觸力的大小。

　　顯然，三星希望通過推出Anycall Haptic手機來利用其中的一些好處。諾基亞在推出具有觸覺觸摸屏的手機時將進一步推動信封。是的，這樣的手機看起來很酷。而且，是的，觸摸起來會很酷。但它們也將更易于使用，基于觸摸的功能可以減少輸入錯誤，并提供更令人滿意的整體體驗。

　　如果您想了解有關觸覺和相關技術的更多信息，請查看下一頁上的鏈接。

　　觸覺學習：下一代動手實踐

　　如今，教師經(jīng)常被要求評估學生的 學習風格 因此，他們可以相應地調整教學方法。學習風格是一個人學習最好的方式。雖然有很多學習風格模型，但流行的模型是基于感官輸入的。在此模型中，有三種基本的學習方式： 聽覺的, 視覺 和 動覺.大多數(shù)學生通過這三種模式中的一種學習效果最好，盡管有些是多模式的，這意味著他們有不止一種強烈的學習偏好。

　　研究表明，即使是聽覺和視覺學習者也能從涉及觸覺的活動中受益匪淺。在一項研究中，初中和高中學生在使用觸覺學習技術時對科學產(chǎn)生了更積極的態(tài)度，并對關鍵概念有了更深入的理解?；谶@項研究和類似的研究，科學教師尤其被觸覺所吸引。許多人正在使用該技術來幫助學生與物體互動，例如病毒或納米顆粒，否則這些物體太小而無法觸摸或看到。其他人則使他們的學生能夠探測細胞的3D渲染。還有一些人正在使用觸覺反饋設備來更全面地教學生關于重力和摩擦等無形力的知識。